CN110668749B - 一种耐硫酸盐侵蚀混凝土 - Google Patents

一种耐硫酸盐侵蚀混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，属于混凝土技术领域，其技术方案要点是按重量份计，水泥260‑330份，水160‑180份，粉煤灰60‑100份，矿粉90‑120份，细骨料720‑870份，粗骨料900‑1200份，煅烧水滑石粉7‑11份，苯甲酸钠1‑2份，硝酸钡1‑2份，纳米二氧化硅10‑20份，聚羧酸减水剂7‑13份，煅烧水滑石粉是由水滑石在500℃条件下煅烧2h后得到，达到提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀的效果。

Description

一种耐硫酸盐侵蚀混凝土
技术领域
本发明涉及混凝土领域，特别涉及一种耐硫酸盐侵蚀混凝土。
背景技术
硫酸盐侵蚀是引起混凝土耐久性不足的重要因素，其作用机理复杂、破坏性强，提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能具有重大的社会经济效益。硫酸盐侵蚀的破坏速度和破坏程度主要取决于环境中硫酸盐含量、混凝土抗渗性能及侵蚀机理。目前，提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的主要方法是添加矿物掺合料，其主要作用有三：一是替代了一部分水泥，直接降低了硅酸三钙（C3A）含量；二是粉煤灰、矿渣等与混凝土中Ca(OH)2发生二次水化反应，从而降低混凝土中的Ca(OH)2含量，而C3A和Ca(OH)2均是硫酸盐侵蚀反应的反应物；三是粉煤灰作为一种表面光滑的球状物，可以填充混凝土的内部孔隙，延缓硫酸根离子在混凝土内部的扩散速率。
但使用矿物掺合料改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能也存在较多的弊端。首先不同掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀的机理不同，且改善程度也各不相同。有学者认为，当掺合料掺量为50%—60%，混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能较好，但会对混凝土耐久性的其他方面产生不利影响。例如，外掺粉煤灰虽提高了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，但是消耗了部分Ca(OH)2，降低了混凝土的碱储备，这无疑会削弱混凝土的抗碳化和抗酸性腐蚀性能。
矿物掺合料会削弱干湿交界位置处混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。有研究表明，掺粉煤灰后的水泥试块会在水分蒸发区生成更多的钙矾石和石膏，最终导致试块在水分蒸发区发生破坏。
总体来说，在混凝土耐久性的研究体系中，硫酸盐侵蚀方面的研究相对滞后，相应的措施不足，有必要研究一种新型改性材料，使得这种材料既能提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，又能整体上提高混凝土的耐久性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，达到提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀的效果。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，按重量份计，水泥260-330份，水160-180份，粉煤灰60-100份，矿粉90-120份，细骨料720-870份，粗骨料900-1200份，煅烧水滑石粉7-11份，苯甲酸钠1-2份，硝酸钡1-2份，纳米二氧化硅10-20份，聚羧酸减水剂7-13份，煅烧水滑石粉是由水滑石在500℃条件下煅烧2h后得到。
本发明进一步设置为，按重量份计，水泥280-310份，水165-175份，粉煤灰70-90份，矿粉95-115份，细骨料760-810份，粗骨料950-1150份，煅烧水滑石粉8-10份，苯甲酸钠1.3-1.7份，硝酸钡1.3-1.7份，纳米二氧化硅13-17份，聚羧酸减水剂8-12份。
通过采用上述技术方案，混凝土硫酸盐侵蚀主要是由于硫酸根离子与水泥中的铝酸盐发生物理化学作用，从而引起的膨胀性化学腐蚀。粉煤灰和矿粉的加入，能够减少水泥的用量，从而减少混凝土中铝酸盐的量，但是粉煤灰和矿粉的量不宜过多，防止形成过多的钙矾石和石膏，从而有效减少水分蒸发后混凝土面出现破坏现象。
水滑石本身是一种插层材料，它可以在水溶液中吸附游离的阴离子，同时又不会破坏其内部的层板结构，将水滑石通过煅烧后，原有的层板结构中的层间阴离子脱去，层状结构也伴随着阴离子的脱去而发生坍塌，从而使得煅烧后的水滑石粉性质很活泼，一旦混凝土中存在硫酸根离子时，便会吸附环境中的硫酸根离子，从而有效抑制硫酸根离子在混凝土孔隙中的扩散和迁移，从而起到对混凝土中硫酸根离子的固化吸附能力，减少钙矾石和石膏的生成，抑制硫酸盐侵蚀的发生，从而保证混凝土的耐久性。
硝酸钡与混凝土中的硫酸根离子反应生成硫酸钡沉淀，从而实现对硫酸根离子的固定，削弱了硫酸盐侵蚀的活性，提高混凝土的耐久性。苯甲酸钠能够与混凝土中的氢氧根离子反应，反应产物能够填充混凝土的凝胶孔和微孔，增加混凝土密实度；粉煤灰的加入，也可以增加混凝土的密室度，改善混凝土孔结构，延缓外界侵蚀介质进入混凝土内的速度，此外粉煤灰的加入，降低了水泥用量，二次水化反应消耗部分氢氧化钙，减少了钙矾石等侵蚀产物生成的机率，从而有效提高抗硫酸盐侵蚀的能力。
纳米二氧化硅可以填充混凝土的孔隙，改善混凝土的微观孔结构，减少了混凝土内部的缺陷，使得混凝土孔隙率降低，密实度提高，阻止硫酸盐溶液进入混凝土内部，从而提高其抗硫酸盐侵蚀性能。此外，纳米二氧化硅与氢氧化钙反应生成的水化硅酸钙凝胶属于低碱性水化硅酸钙凝胶，低碱性水化硅酸钙凝胶比高碱性水化硅酸钙凝胶强度更高、更稳定，增加了混凝土的强度及结构的致密性，同时，纳米二氧化硅与氢氧化钙反应，减少了氢氧化钙的数量，使得钙矾石和石膏的生成量减小，混凝土内部结构缺陷减少，抗硫酸盐侵蚀性能也因此提高。
本发明进一步设置为，所述粉煤灰与矿粉的重量比值为0.6-1。
通过采用上述技术方案，粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，表面光滑质地致密，能有效起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改善混凝土的流变性质，同时，粉煤灰中的活性二氧化硅和三氧化二铝，能与水泥中氢氧化钙等碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，对混凝土的起到增强作用，并能堵塞混凝土中的毛细组织，提高混凝土的抗腐蚀能力。
矿粉的加入，显著降低混凝土水化热，显著增加混凝土的致密度，改善混凝土的抗渗性能，粉煤灰和矿粉的重量比在0.6-1时，能有效提高混凝土的耐久性能和强度。
本发明进一步设置为，所述煅烧水滑石粉为水泥、粉煤灰和矿粉总量的1.7%-2.2%。
通过采用上述技术方案，水滑石粉经过煅烧后的微孔量大大增加，从而对硫酸根离子的起到很好的吸附和固定作用，适量的水煅烧水滑石粉能够优化混凝土的孔结构，但是当煅烧水滑石过量后，虽能吸附大量的硫酸根离子，但破坏混凝土的强度，因此，煅烧水滑石粉为水泥、粉煤灰和矿粉总量的1.7%-2.2%时，能有效提高混凝土的抗硫酸盐腐蚀，同时还有效提高混凝土的强度。
本发明进一步设置为，所述水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。
通过采用上述技术方案，P.O42.5普通硅酸盐水泥结构密实，抗冻性好，同时P.O42.5普通硅酸盐水泥硬化时干缩小，不易产生干缩裂缝，有助于提高混凝土的强度。
本发明进一步设置为，所述粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰。
通过采用上述技术方案，Ⅱ级粉煤灰的含碳量低，有助于提高混凝土的抗碳化性能，同时Ⅱ级粉煤灰相对于Ⅰ级粉煤灰，Ⅱ级粉煤灰不仅能够满足混凝土的强度要求，同时也有效降低混凝土的成本。
本发明进一步设置为，所述矿粉采用S95矿粉。
通过采用上述技术方案，S95矿粉不仅能够减少水泥的用量，同时加入S95矿粉后，不会影响混凝土中引入的空气，从而无需在混凝土中额外添加引气剂，减少成本，同时，S95矿粉的加入，能够混凝土的强度和密实度，同时还能填充混凝土的孔隙，改善混凝土孔结构，提高混凝土的抗渗性能。相对于S105矿粉，使用S95矿粉的混凝土成本低；相对于S95矿粉，S75矿粉的活性低，对混凝土中孔隙的填充率低，导致混凝土的强度不如采用S95矿粉制成的混凝土的强度。
本发明进一步设置为，所述细骨料包括天然砂、机制砂中一种或两种，细度模数为3.0-2.3。
通过采用上述技术方案，细度模数偏大的天然砂或机制砂，会导致混凝土离析、泌浆、包裹性差，从而使得混凝土中的粗骨料容易裸露在外，降低混凝土的强度。细度模数偏小的机制砂，会使混凝土流动性差、坍落度小，且不能满足现场施工要求，主要原因是机制砂或天然砂中石粉含量偏多，在混凝土中能代替部分胶材，需水量增大，导致混凝土干硬、无流动度、无法捣实，从而严重影响混凝土的强度以及抗硫酸盐侵蚀。
本发明进一步设置为，所述粗骨料包括连续级配的卵石、碎石、尾矿石中的一种或多种。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、煅烧水滑石粉与粉煤灰、矿粉、硝酸钡、苯甲酸钠的配合使用，对混凝土中的硫酸根离子起到吸附和固定的作用，阻碍混凝土中硫酸根离子的扩散，从而提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀，同时粉煤灰和矿粉的添加，能够有效填充混凝土中的孔隙，提高混凝土的密实度，从而有效提高混凝土的强度和耐久性能，硝酸钡和苯甲酸钠的配合使用，与混凝土中的OH-离子、硫酸根离子发生反应，从而削弱混凝土内部的硫酸盐的侵蚀；
2、粉煤灰和矿粉的重量比值在0.6-1时，既能够填充混凝土中的孔隙，提高混凝土的致密性，从而提高混凝土的强度，同时，粉煤灰中的活性二氧化硅、三氧化二铝能与水泥中的氢氧化钙等碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，提高混凝土的强度，同时胶凝物质能够堵塞混凝土中的毛细组织，提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力；
3、纳米二氧化硅能够有效填充混凝土的孔隙，改善混凝土的微观孔结构，同时纳米二氧化硅与氢氧化钙反应生成的水化硅酸钙凝胶属于低碱性水化硅酸钙凝胶，而低碱性水化硅酸钙凝胶比高碱性水化硅酸钙凝胶强度更高、更稳定，增加了混凝土的强度及结构的致密性；此外，纳米二氧化硅本身具有较高的活性，很容易吸附钙离子，有助于纳米二氧化硅周围的氢氧化钙优先成核，并与纳米二氧化硅反应，从而减少氢氧化钙的量，使得钙矾石和石膏的生成量减小，混凝土内部结构缺陷减少，抗硫酸盐侵蚀性能也因此提高。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，按重量份计，P.O42.5普通硅酸盐水泥260份，水160份，Ⅱ级粉煤灰60份，S95矿粉90份，天然砂720份，卵石900份，煅烧水滑石粉7份，苯甲酸钠1份，硝酸钡1份，纳米二氧化硅10份，聚羧酸减水剂7份；
其中，煅烧水滑石粉是由水滑石在500℃条件下煅烧2h后得到；
天然砂的细度模数为3.0-2.3。
实施例2
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，按重量份计，P.O42.5普通硅酸盐水泥280份，水165份，Ⅱ级粉煤灰70份，S95矿粉95份，天然砂760份，碎石950份，煅烧水滑石粉8份，苯甲酸钠1.3份，硝酸钡1.3份，纳米二氧化硅13份，聚羧酸减水剂8份；
其中，煅烧水滑石粉是由水滑石在500℃条件下煅烧2h后得到；
天然砂的细度模数为3.0-2.3。
实施例3
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，按重量份计，P.O42.5普通硅酸盐水泥295份，水170份，Ⅱ级粉煤灰80份，S95矿粉105份，天然砂795份，尾矿石1050份，煅烧水滑石粉9份，苯甲酸钠1.5份，硝酸钡1.5份，纳米二氧化硅15份，聚羧酸减水剂10份；
其中，煅烧水滑石粉是由水滑石在500℃条件下煅烧2h后得到；
天然砂的细度模数为3.0-2.3。
实施例4
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，按重量份计，P.O42.5普通硅酸盐水泥310份，水175份，Ⅱ级粉煤灰90份，S95矿粉115份，机制砂810份，尾矿石1150份，煅烧水滑石粉10份，苯甲酸钠1.7份，硝酸钡1.7份，纳米二氧化硅17份，聚羧酸减水剂12份；
其中，煅烧水滑石粉是由水滑石在500℃条件下煅烧2h后得到；
机制砂的细度模数为3.0-2.3。
实施例5
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，按重量份计，P.O42.5普通硅酸盐水泥330份，水180份，Ⅱ级粉煤灰100份，S95矿粉120份，机制砂870份，卵石1200份，煅烧水滑石粉11份，苯甲酸钠2份，硝酸钡2份，纳米二氧化硅20份，聚羧酸减水剂13份；
其中，煅烧水滑石粉是由水滑石在500℃条件下煅烧2h后得到；
机制砂的细度模数为3.0-2.3。
实施例6
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，与实施例3的不同之处在于，Ⅱ级粉煤灰60份、S95矿粉100份，即粉煤灰：矿粉为0.6。
实施例7
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，与实施例3的不同之处在于，Ⅱ级粉煤灰80份、S95矿粉110份，即粉煤灰：矿粉为0.727。
实施例8
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，与实施例3的不同之处在于，Ⅱ级粉煤灰90份、S95矿粉90份，即粉煤灰：矿粉为1。
实施例9
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，与实施例3的不同之处在于，P.O42.5普通硅酸盐水泥280份、Ⅱ级粉煤灰100份、S95矿粉120份、煅烧水滑石粉11份，即煅烧水滑石粉为P.O42.5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉总量的2.2%。
实施例10
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，与实施例3的不同之处在于，P.O42.5普通硅酸盐水泥296份、Ⅱ级粉煤灰85份、S95矿粉95份，即煅烧水滑石粉为P.O42.5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉总量的2.1%。
实施例11
一种耐硫酸盐侵蚀混凝土，与实施例3的不同之处在于，采用等量的S75矿粉代替S95矿粉。
对比例1
与实施例3的不同之处在于，用等量的水滑石粉代替煅烧水滑石粉。
对比例2
与实施例3的不同之处在于，混凝土原料中无煅烧水滑石粉。
性能检测
依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗硫酸盐侵蚀试验方法，对实施例1-11和对比例1-2中的混凝土耐蚀性能、以及侵蚀后抗压强度进行检测，检测结果如表1所示。粉煤灰与矿粉的比值记为A，煅烧水滑石粉与P.O42.5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉总量的占比记为B。
表1混凝土抗硫酸盐侵蚀检测数据
项目 A B/% 侵蚀次数/次 耐蚀系数K<sub>f</sub>/% 抗压强度/MPa 抗冻性能（冻融循环F300）相对动弹性模量/% 抗氯离子渗透性能（电通量法）电通量/C
实施例1 0.67 1.7 120 95.8 54.2 91.6 448
实施例2 0.74 1.8 120 96.2 54.7 93.2 440
实施例3 0.76 1.9 120 98.1 55.9 94.8 425
实施例4 0.78 1.9 120 95.2 54.6 92.4 435
实施例5 0.83 2 120 96.5 54.3 92.6 431
实施例6 0.6 2 120 95.1 53.5 91.8 438
实施例7 0.73 1.9 120 97.1 55.1 92.3 430
实施例8 1.0 1.9 120 96.4 55.3 91.9 432
实施例9 0.83 2.2 120 95.1 54.8 91.5 439
实施例10 0.89 2.1 120 95.8 54.7 91.3 432
实施例11 0.76 1.9 120 90.6 45.1 86.4 589
对比例1 0.76 0 120 86.8 38.6 76.6 1087
对比例2 0.76 0 120 80.2 34.6 70.3 1420
从表1可知：
实施例1-10中的耐蚀系数和抗压强度均优于对比例1、对比例2中混凝土的耐蚀系数和抗压强度，说明该混凝土的原料配方之间的相互关系，能有效提高混凝土的抗硫酸侵蚀性能、抗冻性能以及抗氯离子侵蚀能力，同时也能提高混凝土的抗压强度；
实施例1-10中，混凝土的耐蚀系数在95.1%-98.1%，侵蚀120次后混凝土的抗压强度在53.5MPa-55.9MPa之间，由此可见，粉煤灰与矿粉的比值在0.6-1时，煅烧水滑石粉与P.O42.5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉总量的占比在1.7%-2.2%时，不仅能有效提高混凝土的抗硫酸侵蚀、抗冻性能、抗氯离子侵蚀能力，同时还有助于提高混凝土的抗压强度；
实施例11实施例3相比，当用S75矿粉代替S95矿粉后，混凝土的各项性能均明显下降，说明S95矿粉能够有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀、抗冻性能、抗氯离子侵蚀以及抗压强度；
对比例1与实施例3相比，当用等量的水滑石粉代替煅烧水滑石粉时，混凝土的抗硫酸侵蚀的能力降低，主要是由于水滑石粉依然能够吸附混凝土中的硫酸根离子，但是水滑石粉的孔隙小，能够吸收的硫酸根离子有限，从而导致混凝土的抗压强度也随之降低；
对比例2与实施例3相比，当混凝土中缺少煅烧水滑石粉后，混凝土的耐蚀系数明显下降，同时抗压强度也明显降低，说明煅烧水滑石粉的加入，能够有效吸收混凝土中的硫酸根离子，提高混凝土的耐蚀性能以及抗压强度。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种煅烧水滑石粉用于提高耐硫酸盐侵蚀混凝土抗压强度、抗冻性能、抗氯离子侵蚀性能的用途，其特征在于：该混凝土按重量份计，水泥280-310份，水165-175份，粉煤灰70-90份，矿粉95-115份，细骨料760-810份，粗骨料950-1150份，煅烧水滑石粉8-10份，苯甲酸钠1.3-1.7份，硝酸钡1.3-1.7份，纳米二氧化硅13-17份，聚羧酸减水剂8-12份；煅烧水滑石粉是由水滑石在500℃条件下煅烧2h后得到；粉煤灰与矿粉的重量比值为0.6-1，煅烧水滑石粉为水泥、粉煤灰和矿粉总量的1.7%-2.2%。
2.根据权利要求1所述的一种煅烧水滑石粉用于提高耐硫酸盐侵蚀混凝土抗压强度、抗冻性能、抗氯离子侵蚀性能的用途，其特征在于：所述水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的一种煅烧水滑石粉用于提高耐硫酸盐侵蚀混凝土抗压强度、抗冻性能、抗氯离子侵蚀性能的用途，其特征在于：所述粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的一种煅烧水滑石粉用于提高耐硫酸盐侵蚀混凝土抗压强度、抗冻性能、抗氯离子侵蚀性能的用途，其特征在于：所述矿粉采用S95矿粉。
5.根据权利要求1所述的一种煅烧水滑石粉用于提高耐硫酸盐侵蚀混凝土抗压强度、抗冻性能、抗氯离子侵蚀性能的用途，其特征在于：所述细骨料包括天然砂、机制砂中一种或两种，细度模数为3.0-2.3。
6.根据权利要求1所述的一种煅烧水滑石粉用于提高耐硫酸盐侵蚀混凝土抗压强度、抗冻性能、抗氯离子侵蚀性能的用途，其特征在于：所述粗骨料包括连续级配的卵石、碎石、尾矿石中的一种或多种。
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